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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 (1) 환상 공간이 비교적 긴 경우에 대하여 앞에서 언급한 틈새와 유동이 열 전달계수에 미치는 영향을 살펴보고, (2) 환상공 간 형태를 갖는 열교환기를 선택하는 경우 비등 열전달계수(知)의 향상과 그 한계를 규명함으로 서 향후 설계 관점에서 보다 향상된 열전달 성능을 갖는 열교환기를 설계하기 위한 자료를 확보 하는데 그 목적이 있다.
- 비등 열전달에 영향을 미치는 여러가지 변수 중 오랜 기간에 걸쳐서 연구되고 있는 것이 환상 (annular) 공간 조건에서 튜브간 틈새가 비등열전 달에 미치는 영향을 살펴보는 것이다. 이러한 것 에 대한 연구가 지속되어 오고 있는 이유 중 한 가지는 환상공간에서의 열전달 현상이 매우 복잡 하며, 동일한 형상에 대해서도 유동 조건에 따라 열전달량의 크기가 증가하기도 하고 감소할 수도 있기 때문이다.
제안 방법
- 0%의 오차 범위를 가진다. 또한, 온도는 열전대 오차, 계기 및 측정오차, 열전대 접합에 따른 오 차를 합하여 최대 ± OSP 오차범위를 가지며, 비 둥점(loop)에서 보정하여 사용하였다. 온도와 열 유속에 대한 오차를 고려할 때 계산된 비등열전달 계수에 대한 불확실도는 80 kW/n? 의 열유속과 5K 의 튜브 과열도에 대해 최대 ±12.
- 포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30 분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 예열히터의 전원을 차단하고 시편의 열유속(/' )을 변화시키면서 시편 온도를 측정 했다. 모든 온도는 표면 온도가 정상상태에 도달 하였을 때 (3 분 정도 소요) 열전대에 대한 값을 데이터 처리 장치(DAS, data acquisition system)를 사용하여 측정하였다. 보다 정밀한 온도의 산출 을 위하여 측정값들에 대한 산술평균을 취하여 그 열유속에 대한 온도로서 결정하였다.
- 모든 온도는 표면 온도가 정상상태에 도달 하였을 때 (3 분 정도 소요) 열전대에 대한 값을 데이터 처리 장치(DAS, data acquisition system)를 사용하여 측정하였다. 보다 정밀한 온도의 산출 을 위하여 측정값들에 대한 산술평균을 취하여 그 열유속에 대한 온도로서 결정하였다. 하나의 시편에 대한 실험이 끝나면 시편을 교환하여 동일한 과정을 거쳐서 실험을 수행하였으며, 이러한 전 실험 과정은 실험값 재현성을 확인하기 위하여 적어도 2~3회 반복 실험을 수행하였다.
- 5 mm 인 T-형식 열전대를 가열 표면에 설치하였다. 보다 정밀한 표면 온도 측정을 위하여 열전대 끝 부분을 대략 10 mm 정도 수직으로 굽힌 후 표면에 둥간격(시편하부로부터, 85, 180, 285, 385, 485 mm 되는 위치)으로 접합하였다. 수 조 내부 물의 온도는 수조 내부 바닥면부터 높이에 따라 둥간격(100mm)으로 설치한 7 개의 T-형 식 열전대로서 측정하였다.
- 보다 정확성을 기하기 위하여 실험에 대한 오차 를 검토하였다. 공급 전력 측정을 위하여 사용한 전압계와 전류계의 오차 범위가 각각 ±0.
- 보다 정밀한 표면 온도 측정을 위하여 열전대 끝 부분을 대략 10 mm 정도 수직으로 굽힌 후 표면에 둥간격(시편하부로부터, 85, 180, 285, 385, 485 mm 되는 위치)으로 접합하였다. 수 조 내부 물의 온도는 수조 내부 바닥면부터 높이에 따라 둥간격(100mm)으로 설치한 7 개의 T-형 식 열전대로서 측정하였다.
- 실험과정에 대하여 간단하게 살펴보면, 대기압 상태 하에 있는 수조 내부에 일정 높이(750 mm) 로 물을 채운 후 용량이 각각 5 kW인 3개의 예 열 히터 (pre-heater) 를 이용하여 포화상태 (]00℃) 까 지 가열하였다. 포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30 분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 예열히터의 전원을 차단하고 시편의 열유속(/' )을 변화시키면서 시편 온도를 측정 했다.
- 4 mm의 두 개의 유리관을 채택하였다. 원활한 유로의 확보를 위하여 유리 관의 한쪽 끝면으로부터 40 mm 되는 위치에 직 경이 각각 10, 15 mm인 구멍을 유리관 원주를 따라 등 각도로 6 개씩을 뚫었다. 그리고 이 유 리관을 고정하기 위한 설비로서 공학플라스틱 (engineering plastic) 재질로 된 받침대를 따로 제작하였으며, 유리관과 받침대에 대한 간단한 그림을 Fig.
- 수조의 전면에는 사진촬영과 비등 현상 관찰을 위하여 강화유리를 설치하였다. 유리가 붙어있는 면을 제외한 옆면, 밑면, 그리고 윗면은 단열을 위하여 이중벽 구조 로 만들고 그 사이 공간(30mm)에 단열재를 채워 넣었다. 열교환용 시편은 스테인리스강 재질의 매끈한 튜브(직경X 길이 =25.
- 실험과정에 대하여 간단하게 살펴보면, 대기압 상태 하에 있는 수조 내부에 일정 높이(750 mm) 로 물을 채운 후 용량이 각각 5 kW인 3개의 예 열 히터 (pre-heater) 를 이용하여 포화상태 (]00℃) 까 지 가열하였다. 포화상태에 도달 후 공기 등을 제거할 목적으로 약 30 분 정도 추가적인 가열을 수행한 후 예열히터의 전원을 차단하고 시편의 열유속(/' )을 변화시키면서 시편 온도를 측정 했다. 모든 온도는 표면 온도가 정상상태에 도달 하였을 때 (3 분 정도 소요) 열전대에 대한 값을 데이터 처리 장치(DAS, data acquisition system)를 사용하여 측정하였다.
- 보다 정밀한 온도의 산출 을 위하여 측정값들에 대한 산술평균을 취하여 그 열유속에 대한 온도로서 결정하였다. 하나의 시편에 대한 실험이 끝나면 시편을 교환하여 동일한 과정을 거쳐서 실험을 수행하였으며, 이러한 전 실험 과정은 실험값 재현성을 확인하기 위하여 적어도 2~3회 반복 실험을 수행하였다.
- 한편, Yao 와 Chang'®은 직경이 25.4 mm 인 튜 브를 수직으로 설치한 후 하부로의 유동이 차단 된 환상 형상에 대한 실험올 하였으며, Hung 과 Yao, ”는 동일한 직경의 튜브를 수평으로 설치하고 그 주위를 수정유리관으로 둘러싸서 실험을 수행하였다. 두 가지 경우 모두 틈새의 감소는 어느 값까지는 열전달의 증가를 가져오지만 이것이 특정값을 지나면 오히려 열전달계수가 작아지 는 것을 관찰했으며, 열유속이 증가하면 이러한 경향이 보다 뚜렷하게 관찰되고 있음을 확인하였다.
- 2에 나와있다. 한편, 시편에 공급하는 전력(g)을 측정하기 위하여 전력 공급 및 조절 설비를 사용하였으며, 공급 전압(E)과 전류(7) 를 디지털 값으로 읽을 수 있고, 이 값들을 임의 로 조절할 수 있도록 제작하였다.
- 유리관의 아래로 유 체가 들어가는 경우는 유리관에 구멍이 뚫린 부분 이 아래로 향하도록 하였으며, 아래 부분이 막힌 경우에 대한 실험시는 유리관의 뚫린 부분이 상부 에 위치하도록 하고, 아래 받침대 부분은 누수가 생기지 않도록 실리콘으로 완전히 밀봉하였다. 한편, 유리관의 튜브가 일정한 틈새를 계속 유지하면 서 유리관이 흔들리는 것을 방지하기 위하여 유리 관의 상부와 튜브 사이에 가는 실리콘 봉을 끼워 고정하였다. 이때 실리콘 봉은 유체의 출입에 방 해가 되지 않도록 최대한 작으면서 소기의 목적을 얻을 수 있도록 하였다.
- 환상 공간 내부에서의 비등열전달 현상을 살펴 보기 위하여 제일 먼저 유리관이 없는 경우 (unconfined)에 대한 실험을 수행하였다. 환상에 대한 실험은 (1) 유리관 아래쪽으로 유체가 유입되는 경우(bottom open)와 (2) 아래쪽으로 유로가 확보되 지 않는 경우(bottom closed)에 대한 실험을 각각의 유리관에 대하여 수행하였다.
- 환상 공간 내부에서의 비등열전달 현상을 살펴 보기 위하여 제일 먼저 유리관이 없는 경우 (unconfined)에 대한 실험을 수행하였다. 환상에 대한 실험은 (1) 유리관 아래쪽으로 유체가 유입되는 경우(bottom open)와 (2) 아래쪽으로 유로가 확보되 지 않는 경우(bottom closed)에 대한 실험을 각각의 유리관에 대하여 수행하였다. 유리관의 아래로 유 체가 들어가는 경우는 유리관에 구멍이 뚫린 부분 이 아래로 향하도록 하였으며, 아래 부분이 막힌 경우에 대한 실험시는 유리관의 뚫린 부분이 상부 에 위치하도록 하고, 아래 받침대 부분은 누수가 생기지 않도록 실리콘으로 완전히 밀봉하였다.
대상 데이터
- 3 mm이고 길이가 600 mm인 강화 유리관을 사용하였다. 서로 다른 튜브틈새(e)를 구현하기 위하여 내경 (1七)이 각각 33.2, 55.4 mm의 두 개의 유리관을 채택하였다. 원활한 유로의 확보를 위하여 유리 관의 한쪽 끝면으로부터 40 mm 되는 위치에 직 경이 각각 10, 15 mm인 구멍을 유리관 원주를 따라 등 각도로 6 개씩을 뚫었다.
- 실험장치는 수조, 열교환 시편, 물 및 전력공급 및 조절설비, 그리고 표면과 물 온도를 즉정하고 분석하는 설비로서 구성되어 있다. 수조는 부식을 방지하기 위해 스테인리스강 으로 제작했으며, 600x 600x 800 mm (가로x 세로 X 높이) 의 내부 공간을 가진다. 수조의 전면에는 사진촬영과 비등 현상 관찰을 위하여 강화유리를 설치하였다.
- 1과 같다. 실험장치는 수조, 열교환 시편, 물 및 전력공급 및 조절설비, 그리고 표면과 물 온도를 즉정하고 분석하는 설비로서 구성되어 있다. 수조는 부식을 방지하기 위해 스테인리스강 으로 제작했으며, 600x 600x 800 mm (가로x 세로 X 높이) 의 내부 공간을 가진다.
- 유리가 붙어있는 면을 제외한 옆면, 밑면, 그리고 윗면은 단열을 위하여 이중벽 구조 로 만들고 그 사이 공간(30mm)에 단열재를 채워 넣었다. 열교환용 시편은 스테인리스강 재질의 매끈한 튜브(직경X 길이 =25.4x 570 mm)를 사용 하였으며, 니크롬선으로 구성된 전기 저항체를 내부에 장착하고 전기적인 절연을 한 후 사용하였다. 시편의 하부는 시편 고정과 유리관 고정대 와의 연결을 위하여 플랜지를 사용하였다.
- 튜브 표면의 온도를 측정하기 위하여 5개의 지름이 1.5 mm 인 T-형식 열전대를 가열 표면에 설치하였다. 보다 정밀한 표면 온도 측정을 위하여 열전대 끝 부분을 대략 10 mm 정도 수직으로 굽힌 후 표면에 둥간격(시편하부로부터, 85, 180, 285, 385, 485 mm 되는 위치)으로 접합하였다.
- 환상을 구성하기 위하여 두께가 2.3 mm이고 길이가 600 mm인 강화 유리관을 사용하였다. 서로 다른 튜브틈새(e)를 구현하기 위하여 내경 (1七)이 각각 33.
성능/효과
- (1) 환상공간을 두는 것은 열전달 향상에 매우 큰 효과가 있다. 하부 개방의 경우, 환상공간이 없는 경우에 비해 50% 정도 비등열전달계수가 증가한다.
- (2) 환상공간의 하부를 막게되면 하부를 개방하는 경우에 비해 열전달계수가 증가하게 되며, 그 효과는 열유속이 낮을 때(50 kW/m2 이흐}') 분명하게 관찰된다.
- 4 mm 인 튜 브를 수직으로 설치한 후 하부로의 유동이 차단 된 환상 형상에 대한 실험올 하였으며, Hung 과 Yao, ”는 동일한 직경의 튜브를 수평으로 설치하고 그 주위를 수정유리관으로 둘러싸서 실험을 수행하였다. 두 가지 경우 모두 틈새의 감소는 어느 값까지는 열전달의 증가를 가져오지만 이것이 특정값을 지나면 오히려 열전달계수가 작아지 는 것을 관찰했으며, 열유속이 증가하면 이러한 경향이 보다 뚜렷하게 관찰되고 있음을 확인하였다.
- 이상에서 살펴본 것과 같이 환상공간에 대한 연구에서 가장 관심의 대상이 되는 것은 기하학 적 형상, 환상공간의 틈새, 그리고 유동 조건임을 알 수 있으며, 이러한 것들의 조합과 열유속의 크기에 따라서 열전달계수가 증가하거나 감소하고 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 틈새 간격이 훨씬 좁아지면 유동 특성에도 많은 변화가 초래될 수 있으므로, 전반적인 경향 에도 약간의 변화를 초래하게 된다. 어느 정도의 틈새에서 그 영향이 없어지는지를 분명하게 규명 해 볼 필요가 있으므로 보다 다양한 틈새에 대한 실험이 향후 과제로서 좀 더 연구되어져야 할 것으로 생각한다. 열유속이 높아지면 간격에 의한 영향이 감소하는 것은 공통적으로 관찰되는 현상 이며, 이러한 것은 하부가 막힌 평판에 대한 실 험인 Fujita 둥(0의 결과에서도 살펴볼 수 있다.
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